НОВЫЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В ЭНЕРГЕТИКЕ
В топливном балансе энергетики Узбекистана более 80% приходится на долю природного газа. В настоящее время намечается тенденция по устранению сложившейся диспропорции в использовании видов энергоресурсов с повышением эффективности их использования. В случае планируемого существенного увеличения объемов сжигания угля от 2,5 млн. тонн в 2000 году до 12 млн. тонн в 2015 году экологический ущерб для региона примет угрожающее значение.
Увеличение доли угля в энергобалансе повлечет за собой повышение вредных выбросов в окружающую среду, таких как оксиды азота и серы, двуокись углерода, зола и другие. Это связано с отсутствием современных технологии в использовании органических топлив, особенно, основного энергетического твердого топлива, низкокалорийного и высокозольного бурого угля.
Используемые на сегодня в энергетической отрасли объемы и технологии сжигания угля в технологических установках не отвечают требованиям по эффективности и защиты окружающей среды. При сгорании угля выделяется много сернистых и азотистых оксидов, различных летучих частиц (зола и пыль), и наконец, наибольшее по сравнению с другими видами топлива количество СО2 на единицу произведенной энергии. Например, при получении 1 ГДж теплоты из угля образуется 90 кг СО2, а из нефти и природного газа - 73 и 55 кг соответственно. Во многих случаях выполнение экологических требований может быть достигнуто только оптимальной комбинацией нескольких методов очистки, применяемых одновременно, например: предварительного углеобогащения, мокрой промывки дымовых газов в скрубберах для удаления частиц пыли и сернистых соединений, а также избирательного каталитического восстановления оксидов азота. Комплексное использование всех систем очистки вызывает заметный рост стоимости угольных технологий. Так, сегодня удельная стоимость единицы мощности вновь вводимых в мире чистых угольных электростанций доходит до 2000 долларов/ кВт, причем более 25% капитальных затрат приходится на системы очистки дымовых газов от оксидов серы и азота. Исходя из особенностей добываемого в республике твердого топлива, задачей угольной и энергетической отрасли страны является совместное решение комплексной проблемы по разработке высокоэффективных и экологически чистых высоких технологий.
В случае планируемого существенного увеличения объемов сжигания угля от 2,5 млн.тонн в 2000 году до 12 млн. тонн в 2015 году экологический ущерб для региона примет угрожающее значение.
Поэтому разработка высокоэффективных и экологически чистых высоких технологий использования угля является комплексной научно-технической проблемой перед топливно-энергетическим комплексом республики.
Одними из главных направлений решения данной научно-технической проблемы являются создание экологически безопасных электростанции (ЭкоТЭС) с полным прекращением выбросов в атмосферу диоксида углерода (СО2), резкое сокращение окислов азота (NOx) и серы (SOx) в продуктах горения. Существенным является извлечение и полезное использование побочных продуктов из Ангренского бурого угля гидрофобных силикатов, ферросплавов, а также диоксида углерода из дымовых газов. Наличие в составе золы Ангренского бурого угля высокого содержания окислов железа (15%) способствует изысканию путей их утилизации.
Нами были разработана технология, совмещающая эффективное сжигание угля и возможность извлечения присутствующих полезных элементов из состава шлака. Наиболее подходящим для этой цели является технология, использующая предтопку с наиболее эффективным циклонно-вихревым принципом сжигания твердого топлива . с применением воздушного или воздушно-кислородного дутья и с жидким шлакоудалением. Также разработана схема гравитационного разделителя для разделения золошлакового расплава на продукты и отходы, пылеприготовления и подачи пыли в циклонную предтопку, получения кислорода и подачи его в топку, переработки дымовых газов с получением жидкого диоксида углерода. В данном докладе представлены некоторые результаты проводимых исследований.
Известно, что в циклонных топках используются аэродинамические преимущества вращающегося воздушного потока, несущего взвесь измельченного топлива. Поэтому процессы горения и газификации в циклонных топках протекают весьма интенсивно, тепловое напряжение циклонной камеры при этом достигают 16 МВт/м3 по сравнению с пылеугольными камерными топками, равными 2.. .3 МВт/м3.
Была создана модель лабораторно-экспериментальной циклонной предтопки с внутренним диаметром 600 мм. Для определения возможности влияния на гидродинамические и тепловые процессы, протекающие в предтопке, были исследованы поле скоростей, газовые фазы циклонной камеры.
Анализ полей скоростей показывает, что с изменением расходов газовоздушной среды и концентрации измельченного угля аэродинамическая структура горящего факела практически носит равномерный и постоянный характер. В приосевой зоне наблюдается развитая область рециркуляции со значительными скоростями движения газов. По сторонам от приосевой зоны обратных токов движутся основные потоки топлива и газов. Расположение их в топке вблизи амбразуры зависит от степени закрутки потоков. При цилиндрических насадках и амбразурах максимумы скоростей в основном потоке расположены ближе к оси горелки и потоки движутся на расстоянии примерно 500 мм от нее.
Меньший угол раскрытия факела наблюдается при работе горелок с цилиндрическими насадками. Соответственно и дальнобойность горелок с цилиндрическими насадками несколько больше, чем с коническими.
Результаты расчетов показывают, что конструкция циклонно-вихревой предтопки обеспечивает высокую степень улавливания летучей золы, которая составляет не менее 80-90%, что резко сокращает абразивный износ поверхностей нагрева основного котлоагрегата.
Рассмотрим механизм процесса горения бурого угля в циклонной предтопке и в копильнике [5]:
Во время процесса горения бурого угля, содержащего в нем Fe, Si, Mn переходит в жидкое состояние и кислород в воздухе окисляет железо
2 Fe + O2 = 2FeO + 544300 кДж. (1 )
Закись железа перемешивается с жидким шлаком, при этом примеси, имеющие большие сходства с кислородом, отнимают его от закиси с железом по реакциям:
Si + 2 FeO = Fe + SiO2 + 370000 кДж (2 )
Mn + FeO = Fe + MnO + 125650 кДж (3 )
Получающиеся окислы примесей переходят в шлак и благодаря выделению тепла, в результате реакции окисления, температура предтопки повышается на 300- 400C0.
В дальнейшем происходит окисление углерода по следующей реакции:
FeO + C = Fe + ТОгаз - 74400 кДж. ( 4 )
Так как процесс выгорания закиси углерода происходит с поглощением тепла, то температура в циклонной предтопке несколько снижается. После окончания процесса выгорания топлива шлак, содержащий окиси железа, собирается в нижней части предтопки, где происходит отстаивание с последующим расслоением шлака от железа при температуре 1623 0К. Металл оседает на дно гравитационного разделителя, а шлак собирается в верхней части гравитационного разделителя. После выдержки в течение 300 секунд происходит выпуск шлака с верхней частью жидкого металла, далее металл сливается в копильник, где производят окончательно раскисление железа.
Таким образом, после проведенных химических, теплотехнических и аэродинамических расчетов процесса выгорания бурого угля с выделением железа выбрана следующая энерготехнологическая схема использования бурого угля, состоящая из вертикальной циклонной предтопки с гравитационным разделителем и копильником.
В циклонной предтопке применено пережимное устройство, приводящее к усилению крутки аэросмеси, повышению конвективного составляющего диффузии газо-воздушного потоков и выравниванию температуры газов по объему циклонной камеры.
Копильник представляет собой сосуд цилиндрической формы из футерованного шамота или полукислого кирпича. Расплавленный шлак непрерывно стекает через пережим циклонной предтопки в гравитационный разделитель,- оттуда в копильник. В средней части копильника имеется летка для спуска шлака, а в нижней части летка для спуска металла.
Для работы данной технологической схемы были проведены теплотехнические расчеты элементов установки: теплообменников, компрессора и конденсатора.
В результате полностью могут быть исключены выбросы газа СО2. Сокращаются вредные выбросы, такие как золы, оксиды азота и серы. Можно получать углекислоту с чистотой 95-100 %. Из состава золы могут быть извлечены прочные гидрофобные силикаты и ферросплавы.
Себестоимость производства СО2 по предлагаемому варианту не превышает 30 $/тонн, когда средняя стоимость промышленного производства СО2 в мире составляет 900 $/тонна.
На основе разработанных ранее и представленных выше технологий предложена общая технологическая линия экологически безопасной технологии сжигания Ангренского бурого угля с эффективным улавливанием и полезным использованием диоксида углерода и других побочных продуктов.
Данная технология состоит из пяти блоков[7], предназначенных для проведения отдельных технологических процессов, таких как блок топливоприготовления (I), блок получения кислорода (II), блок котла с предтопкой (III), блок получения газообразного диоксида углерода (IV) и блок получения жидкого диоксида углерода (V). Другим побочным продуктом данной технологии являются ферросплавы и гидростойкие силикаты. Если учесть, что в составе золы Ангренского угля имеется 15 % железа, то только на Ново-Ангренской ТЭС можно получить 450 000 т/год железа. Кроме того, применение подобной технологии позволяет резко снизить отвод земель и их загрязнение золошлаковыми отходами.
При добыче твердого топлива, как показывает опыт промышленной разработки топливных ресурсов, ежегодно около 12 % энергоносителей (в основном твердого топлива) остается в недрах [1]. Эти потери связаны с оставлением целиков, невозможностью ведения работ с повышенной газомобильностью, пожароопасностью, горным давлением и другими непредвиденными обстоятельствами.
Анализ разработки мощных угольных пластов ОАО “Узбекуголь” Республики Узбекистан показывает, что неизвлеченные запасы составляют значительное количество угля [2].
Наряду с одним из перспективных нетрадиционных способов добычи не промышленных пластов угля, подземной газификации угля, не менее интересным способом является технология подземного сжигания угля [3].
В отличие от подземной газификации угля, при этом способе уголь под землей сжигается полностью и используется лишь физическое тепло продуктов полного сгорания. Утилизация их физического тепла в котлах-утилизаторах позволяет использовать серийное теплоэнергетическое оборудование, выпускаемое промышленностью [4]. Данная технология, как и все топливосжигающие технологии, не лишена недостатков по выбросам вредных газов в атмосферу, в частности, парниковых газов.
Приведенные выше разработанные нами способы сжигания топлив, позволяющих получать газообразные продукты горения с концентрацией диоксида углерода до 96 %, при необходимости можно легко получить сжиженную 100%-ную углекислоту [5]. При этой технологии полностью прекращаются выбросы парниковых газов в атмосферу.
Была предпринята попытка использования способа экологически чистой углекислотно-кислородной технологии для подземного сжигания Ангренского угля.
На основе результатов, проведенных натурных экспериментальных исследований подземного сжигания на Ангренском месторождении и накопленный значительный научный, экспериментальный и проектный опыт по данной технологии сжигания угля в сочетании с углекислотно-кислородной технологией нами разработана принципиальная технологическая схема экологически чистой технологии подземного сжигания угля. Эта технология позволит эффективно отрабатывать остающиеся запасы погашенных шахт и непромышленных запасов, что дает возможность существенно нарастить объемы производства энергоносителей на угольных месторождениях и сократить экологический ущерб.
Одними из способов достижения поставленной цели являются обогащение и подготовка высокозольных топлив к сжиганию. Существуют водные и сухие способы обогащения угля. Угольные месторождения Узбекистана расположены в районах с ограниченными водными ресурсами, единственным, эффективным способом обогащения угля в данных условиях являются сухие методы. При сжигании обогащенного угля экономятся газ и мазут, расходующего на подсветку факела. Срок службы дробилки и мельницы удлиняются, уменьшается занос поверхностей нагрева золой, что приводит к повышению к.п.д. ТЭС. Для обогащения Ангренского бурого угля нами разработана технология обогащения угля в воздушно-тяжелосреднем кипящем слое. Экспериментально и расчетами были определены оптимальные режимные и конструктивные параметры работы установки.
Принцип работы установки заключается в следующем. Подлежащий обогащению уголь подается из бункера сырого угля в кипящий слой суспензии, состоящем из утяжелителя и мелкой фракции угля в определенных пропорциях. Расход воздуха должен обеспечить установленное число псевдоожижения. Данные параметры кипящего слоя обеспечивают сепарацию угля от пустой породы и специальные устройства выводят отдельно из установки обогащенный уголь и пустую породу. При этом частично происходит удаление части утяжелителя из установки вместе с пустой породой. Эта смесь поступает в систему регенерации утяжелителя. Отделенный от породы утяжелитель через систему транспортеров подается обратно в установку кипящего слоя.
Возможность регенерации утяжелителя является важным преимуществом рассматриваемой технологии по сравнению с установками с водно-минеральными суспензиями, где регенерация утяжелителя связана с большими трудностями.
Опытная проверка обогатительной установки с кипящим слоем подтвердила высокую эффективность нового метода обогащения угля. Опыты показали, что угольная фракция в концентрате содержится в пределах от 95 до 99%, а потери угля с породой близки к нулю.
Эта установка может быть использована одновременно и для сушки угля, при подаче нагретого воздуха или дымовых газов нужной температуры. В условиях нашей республики экономически целесообразным является производить обогащение угля на углесжигающей станции, где обогатительная установка устанавливается вместо питателя сырого угля. Это дает возможность по нагрузке отдельного котла регулировать подачу обогащенного угля. Предварительные экономические расчеты показали, что оснащение одного котла ТП-230-2 Ангренской ТЭС данной технологией позволит сэкономить 1,3 млн. долл.США, а срок окупаемости инвестиций составит менее 6 месяцев.